劈裂注漿報告

1、前 言京珠高速公路煤系地層二次劈裂注漿錨索的科研項目經(jīng)過課題組半年多的努力，現(xiàn)在已按照合同完成了研究任務(wù)。在此提交的研究報告中，首先對巖土錨固設(shè)計理論的現(xiàn)狀進(jìn)行了評述，指出存在的問題。然后討論了錨固工程設(shè)計中的錨固力影響因素，提出在煤系類軟弱巖層中為增加錨固力和減小錨固力損失可采用二次劈裂注漿的設(shè)計思想。從該思想出發(fā)探尋了二次劈裂注漿錨索的結(jié)構(gòu)型式，分析了其力學(xué)作用機(jī)理，討論了錨索在二次劈裂注漿方式下錨固力的增加效果；探求了二次劈裂注漿錨索的設(shè)計計算方法。對于劈裂注漿方式的錨索結(jié)構(gòu)型式，建議一次注漿管置中，二次注漿管置外的方式，提出不宜全孔段劈裂滿灌，只需在自由段靠近錨固端1m左右至錨固段長度

2、方向4m5m位置進(jìn)行劈裂注漿。對劈裂作用下錨固承載力計算，按相關(guān)力學(xué)理論，考慮了劈裂起始壓力，裂隙擴(kuò)展壓力和注漿壓力的數(shù)值確定，并根據(jù)錨固段粘結(jié)力的分布，給出相應(yīng)的錨固力計算式。最后討論了劈裂注漿漿液選擇，最佳水灰比和二次劈裂時間的參數(shù)選擇問題。本項成果對于進(jìn)一步預(yù)應(yīng)力錨索承載力有著重要的工程意義. 一、預(yù)應(yīng)力錨索的設(shè)計現(xiàn)狀1.1錨索設(shè)計概述自1934年阿爾及利亞的coyne工程師首次將錨索加固技術(shù)應(yīng)用于水電工程的壩體加固并取得成功1，并隨著高強(qiáng)鋼材和鋼絲的出現(xiàn)以及鉆孔灌漿技術(shù)的發(fā)展，以及對錨索技術(shù)研究的深入和對錨固技術(shù)認(rèn)識的逐步提高，預(yù)應(yīng)力錨索加固技術(shù)已廣泛應(yīng)用于巖土加固工程的各個領(lǐng)域，并成

3、為巖土工程技術(shù)發(fā)展史上的一個里程碑。巖土錨固是巖土工程領(lǐng)域的重要分支。巖土錨固是以錨桿（索）作為主體技術(shù)手段或裝置加固一定范圍的巖土體，在錨固范圍內(nèi)錨桿（索）與周圍巖土體能形成一隨工程力變化而呈動態(tài)變化的內(nèi)承載結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)對內(nèi)部圍巖體和對外部受力結(jié)構(gòu)物都具有力傳遞作用。從而在一定的技術(shù)及經(jīng)濟(jì)條件下，能使錨固巖土體保持穩(wěn)定。而加固巖土體是巖體錨固工程研究的主要對象，是隧道或邊坡挖掘擾動力影響范圍之內(nèi)的巖土體，包含了巖塊、結(jié)構(gòu)面及其空間組合特征和賦存條件。在巖土工程中采用錨固技術(shù)，能較充分地調(diào)用和提高巖土體的自身強(qiáng)度和自穩(wěn)能力，大大縮小結(jié)構(gòu)物體積和減輕結(jié)構(gòu)物自重，顯著節(jié)約工程材料，并有利于施工安全

4、，已經(jīng)成為提高巖土工程穩(wěn)定性和解決復(fù)雜的巖土工程問題最經(jīng)濟(jì)最有效的方法之一。巖土錨固已在我國邊坡、基坑、礦井、隧洞、地下工程，壩體、航道、水庫、機(jī)場及抗傾、抗浮結(jié)構(gòu)等工程建設(shè)中獲得廣泛應(yīng)用。目前在邊坡工程中大量使用的是水泥砂漿或水泥漿膠結(jié)的拉力型錨索。在巖土工程中加錨的目的是增加工程的穩(wěn)定性。大量工程實驗表明，巖土加錨增穩(wěn)的效果是十分顯著的。綜合工程應(yīng)用的效果和加錨巖土體性態(tài)，加錨構(gòu)件的效應(yīng)體現(xiàn)在以下三個方面2： (1)加錨的物理效應(yīng)。加錨后的巖土體的組織構(gòu)造變得更密實，裂隙或孔隙率減少，使得巖土體的材料參數(shù)量值變化。如彈性模量、抗壓強(qiáng)度、內(nèi)摩擦系數(shù)和凝聚力有可能提高，滲透系數(shù)有可能變小。(2

5、)加錨的力學(xué)效應(yīng)。從工程角度上看，加錨的作用是把穩(wěn)定性較弱部位的巖土體通過錨桿(錨索)和穩(wěn)定性較好的巖土體相連在一起工作，從而加強(qiáng)了巖土體結(jié)構(gòu)的整體作用。從力學(xué)分析可知，錨桿(錨索)的嵌入引起所在區(qū)域巖土體應(yīng)力的重分布。其原因在于錨桿(錨索)本身承擔(dān)的支護(hù)力；巖土體受到錨桿(錨索)約束后增加了阻滑力；通過錨桿(錨索)約束，阻止了巖土體相對位移的流變現(xiàn)象，在裂縫面上相當(dāng)于施加了止裂力，對裂尖巖橋有增韌作用，提高了裂縫擴(kuò)展阻力。（3）加錨的結(jié)構(gòu)效應(yīng)。巖土體材料本身可看作是由多種介質(zhì)組合而成的結(jié)構(gòu)，其中夾有裂隙、斷層等給穩(wěn)定帶來不利的軟弱結(jié)構(gòu)面，而加錨通常穿過這些結(jié)構(gòu)面，對這些軟弱結(jié)構(gòu)面的滑移起到了

6、抗剪阻滑作用。嵌入錨件改變了巖土體結(jié)構(gòu)的組成，強(qiáng)化了連接面的強(qiáng)度。預(yù)應(yīng)力錨索結(jié)構(gòu)如圖1所示。 圖1 預(yù)應(yīng)力錨索結(jié)構(gòu)圖錨固設(shè)計就是針對特定地層條件和錨固形式確定錨索承載能力和錨固長度。根據(jù)試驗分析，錨索破壞時的主要形式為3：（1）沿錨索體與注漿體界面破壞；（2）沿注漿體與地層界面破壞；（3）由于埋入穩(wěn)定地層中的深度不夠而出現(xiàn)地層倒錐體剪壞；（4）由于錨索體材料強(qiáng)度不足而出現(xiàn)斷裂破壞；（5）錨固段注漿體被壓碎或破裂；（6）整體支護(hù)能力不足而出現(xiàn)錨索群體破壞。 對于錨固段鉆孔為直筒狀的粘結(jié)型預(yù)應(yīng)力錨索，在無壓或較小壓力1mpa注漿條件下，注漿后錨固段鉆孔無擴(kuò)孔現(xiàn)象發(fā)生，其錨固力主要受錨索體與注漿體界

7、面控制，或受注漿體與地層界面控制。（1） 計算時，假定錨固段傳遞給巖體的應(yīng)力沿錨固段全長均勻分布；注漿時地層無被壓縮現(xiàn)象；巖石與注漿體界面發(fā)生滑移或剪切破壞。則錨固段長度與錨體工作錨固力的關(guān)系式為： （1）式中：l1為按照漿體與巖體孔壁接觸面計算的錨索錨固段長度；tw為錨索工作錨固力；sf為安全系數(shù)；d為鉆孔直徑；s為孔壁與注漿體之間的極限粘結(jié)強(qiáng)度。（2） 錨索體與注漿體界面的錨固力計算，也是假定剪應(yīng)力在接觸面均勻分布獲得的： （2）式中：l2為按照漿體與錨索體接觸面計算的錨索錨固段長度；n為鋼鉸線根數(shù)；d為鋼鉸線直徑；u為錨索與注漿體界面之間的極限剪應(yīng)力。其余符號意義同上。（3） 對于抵抗地

8、層倒錐體剪壞的計算，假定倒錐體從錨固段中點或起點沿6090產(chǎn)生倒錐體形狀破壞，對于良好均質(zhì)巖體，單根錨索的錨固深度為： （3） 式中為巖體的剪切強(qiáng)度，其余符號同前。錨索群的錨固深度為： （4）式中：a為錨索間距，其余符號同前。（4）對錨索體材料的計算。按下列公式進(jìn)行 （5） 式中：a為錨索體截面積；fptk 為錨索材料破斷強(qiáng)度。工程中，錨索設(shè)計強(qiáng)度取值為錨索體材料強(qiáng)度的0.550.65倍。使其安全儲備系數(shù)在1.5以上。（5）錨固段注漿體被壓碎或破裂的計算對錨固段的注漿，常使用純水泥漿或水泥砂漿，并摻入或不摻入一定添加劑，其注漿體抗壓強(qiáng)度一般大于25mpa（土體）或35 mpa，抗折強(qiáng)度大于6.

9、5mpa，該破壞形式較為罕見，故工程中常不考慮該方式的破壞。（6） 錨索群的相互作用對該問題的考慮，coates和yu（1971）4對其進(jìn)行了應(yīng)力分析， petrasovits（1981）5給出其影響因素主要為：間距，地層硬度，地層構(gòu)造的影響。目前，設(shè)計中是對錨索承載力乘以一個折減系數(shù)后作為錨索群的承載力，并使錨索間距大于4d，且大于1.5m，與相鄰基礎(chǔ)或地下設(shè)施的距離應(yīng)大于3m。有一些群錨加固實驗68對其相互作用進(jìn)行了測試。得出如下結(jié)論：群錨使巖體不均勻應(yīng)力狀態(tài)得到改善，能降低單錨孔壁界面上的拉、剪應(yīng)力，并使巖體變形模量提高，相鄰錨索的張拉對已張拉錨固力略有影響，并受巖體性狀和地質(zhì)結(jié)構(gòu)的影響

10、。錨桿間距為2d時，群錨效率系數(shù)為0.640.75；3d時，為0.840.89；4d時群錨為0.950.97。對錨桿(錨索)，間距大于4d，可不考慮群錨效應(yīng)。但是由于錨索錨固力相對較大，故在工程中取錨索間距大于4d，且大于1.5m，并按工程重要性及巖體性狀及張拉噸位可取一折減值，建議按0.800.90考慮群錨效應(yīng)。當(dāng)間距大于3.0m時可不作折減。但是應(yīng)注意到錨索設(shè)計中尚有許多不確定因素及風(fēng)險性，如地層性態(tài)、地下水或周邊環(huán)境的變化；灌漿與索體材料質(zhì)量的不穩(wěn)定性；錨索群中個別錨索承載力下降或失效所附加給周邊錨索的工作荷載增量等。對預(yù)應(yīng)力錨索設(shè)計計算還應(yīng)考慮地層特性及其腐蝕性的影響，并用以確定索體材

11、料的尺寸及其力學(xué)性能，防腐潤滑油脂的用料，錨具的選擇，并作性能試驗，進(jìn)行注漿體的材料成分確定、選定鉆孔設(shè)備及工藝，張拉的方法及工藝等。1.2錨固設(shè)計理論進(jìn)展990年代，國際間巖土錨固的理論研究、技術(shù)創(chuàng)新和工程應(yīng)用得到進(jìn)一步發(fā)展。理論研究主要圍繞地層錨固的荷載傳遞機(jī)理、不同類型注漿錨桿（索）用于不同地層時桿（索）體與注漿體，注漿體與地層間的粘結(jié)應(yīng)力及其分布狀態(tài)展開的。英國、澳大利亞、加拿大等國的學(xué)者和工程師們提出了“注漿錨桿的側(cè)向剛度、注漿體長度及膨脹水泥含量對桿體與注漿體界面特性的影響”、“有側(cè)限狀態(tài)下注漿錨桿的性質(zhì)”、“錨桿注漿體與巖石界面的現(xiàn)場特性”、“粘結(jié)應(yīng)力分布對地層錨桿設(shè)計的影響”和

12、“單孔復(fù)合錨固的理論與實踐”等理論研究成果，對改進(jìn)錨桿設(shè)計和發(fā)展能充分利用地層強(qiáng)度的錨桿體系具有重要作用。在技術(shù)創(chuàng)新與工程應(yīng)用方面，中國的成就是特別令人囑目的。從1993年至1999年，據(jù)初步統(tǒng)計，中國在深基坑和邊坡工程中的預(yù)應(yīng)力錨桿用量，每年折算加固里程約為2000km3000km。為了檢驗錨桿防腐蝕系統(tǒng)的完善性，瑞士開發(fā)應(yīng)用了電隔離錨桿(電阻測定法)技術(shù)，該法已列入瑞士和全歐的錨桿標(biāo)準(zhǔn)。瑞典和日本開發(fā)的帶端頭膨脹體的土中錨桿，得到了實際應(yīng)用。據(jù)稱，這種錨桿膨脹體的直徑可達(dá)08m，它改變了摩擦作用的傳力機(jī)制，大大縮短了固定段長度，具有多方面的優(yōu)點。臺灣在砂性土的抗浮工程中，應(yīng)用了底端擴(kuò)成圓錐

13、體的錨桿，它借助旋轉(zhuǎn)的葉片，底端可形成直徑為06m的錐體，當(dāng)錨固長度為610m時，錨桿的極限承載力達(dá)9601400kn，可比直徑為12cm的圓柱形固定段的錨桿承載力提高23倍。在香港新機(jī)場建設(shè)中，采用單孔復(fù)合錨固創(chuàng)造了單根土層錨桿承載力的新紀(jì)錄。位于砂和完全風(fēng)化崩解的花崗巖層中的單孔復(fù)合型錨固錨桿，由7個單元錨桿組成，單元錨桿的固定長度分別為5m和3m，錨桿固定總長度達(dá)30m，在3000kn荷載作用下，未見異常變化。就目前,錨固作用的機(jī)理已做了大量的深入和拓寬延展研究工作,但大都是以錨桿（索）為主體來解釋其作用機(jī)制。這種重在研究錨桿（索）本身行為的思路難以解釋為什么錨桿有別于其它支護(hù)形式而能有

14、效地控制圍巖大變形且用料極??；另一方面對為什么同一錨桿形式，不同巖性、不同錨固方式、不同鉆孔型式以及不同錨頭系統(tǒng)其錨固效果卻差距很大，也很難作出解釋。事實上需要建立的概念是巖體錨固工程是一種特殊工程。說它特殊就在它是以巖土體為建筑材料、以巖土體為工程結(jié)構(gòu)、以巖土體貯存的地質(zhì)環(huán)境為建筑環(huán)境而修建起來的一類工程?；诖?，應(yīng)引入圍巖體錨固系統(tǒng)的概念，運用巖體結(jié)構(gòu)力學(xué)的基本觀點，對巖體錨固的作用機(jī)理進(jìn)行再認(rèn)識。綜上所述，目前錨固設(shè)計理論的發(fā)展，已不僅僅限于力學(xué)上的計算分析，而是從巖體性質(zhì)和錨體結(jié)構(gòu)上考慮，以便提高錨索承載力。瑞典和日本開發(fā)的帶端頭膨脹的錨桿、底端擴(kuò)成圓錐體的錨桿就是實例。本項目研究開發(fā)

15、的二次劈裂注漿方法來提高錨索承載力，也是適應(yīng)了這種發(fā)展趨勢。1.3錨固力損失的影響因素錨索的預(yù)應(yīng)力損失是設(shè)計人員和工程管理人員所關(guān)心的重要問題，也是涉及工程安全與否的大問題。錨固力損失與索體、漿體和巖土體的材料性質(zhì)，被加固巖土體力學(xué)特性，錨夾具的加工質(zhì)量，施工工藝以及運行管理水平有關(guān)。其影響因素按作用環(huán)節(jié)可分為三個方面，即張拉過程的損失，鎖定過程的損失和時間推移所引起的損失10。張拉過程的損失主要由錨索同孔壁的摩擦和張拉千斤頂?shù)哪Σ了稹Ｔ摀p失值很小，往往靠超張拉就可以消除。鎖定過程的損失由鋼絲或鋼絞線的回縮及夾具的加工質(zhì)量控制。目前，由于錨夾具制造水平的提高和超張拉、施工工藝和補(bǔ)償張拉的補(bǔ)

16、償作用，其影響可忽略不計。由時間推移所引起的損失相對較為復(fù)雜，且計算具體損失量也十分困難，一般只能在設(shè)計中充分考慮各種因素引起的預(yù)應(yīng)力損失量后，從安全度予以考慮。一般情況下,影響預(yù)應(yīng)力錨固效果的主要因素有如下幾點：1. 巖體徐變 受荷區(qū)內(nèi)巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)各個組成單元在應(yīng)力作用下,將產(chǎn)生塑性壓縮或相對變位,且隨時間變化而變化,這就是巖體徐變。巖體徐變是張拉錨索預(yù)應(yīng)力損失的主要原因之一,它的機(jī)理是:錨索預(yù)應(yīng)力荷載作用在巖體上,巖體在受壓情況下局部密實,天然結(jié)構(gòu)面(節(jié)理、層理、裂隙)上會產(chǎn)生額外的壓縮,預(yù)應(yīng)力錨索也因此而松馳,使其應(yīng)力降低,隨著時間的推移,錨索的預(yù)應(yīng)力降低速度減慢,最終達(dá)到平衡狀態(tài)。大量

17、試驗結(jié)果表明11：硬巖的徐變很小，一般在47%；預(yù)應(yīng)力錨索對軟巖加固的時間效應(yīng)則較為顯著，在初始階段1025小時內(nèi)，錨索預(yù)應(yīng)力噸位由一個迅速下降段，其降幅大約占初始噸位的1421%。所以軟巖中預(yù)應(yīng)力損失不可忽略，而且往往其損失量的大小成為錨固工程安全性的控制因素。2. 錨索材質(zhì)的松弛張拉錨索最理想的材質(zhì)是高強(qiáng)度低松弛鋼絞線,松弛損失在張拉后初期幾分鐘內(nèi)發(fā)展最快,在24后約完成80%,大約20d后基本上不再發(fā)展。同時規(guī)定設(shè)計張拉力時預(yù)應(yīng)力鋼材強(qiáng)度利用系數(shù)不超過0.650.70，超張拉時不超過0.750.7812。從而保證長期受荷的鋼絞線松弛引起的錨固力損失值控制在較小范圍內(nèi)。3. 錨索的腐蝕預(yù)應(yīng)

18、力錨索的腐蝕破壞，是影響預(yù)應(yīng)力錨索耐久性和錨固效果的主要因素之一。由于錨索深置于地下或工程結(jié)構(gòu)物中，長期處于潮濕的環(huán)境和高應(yīng)力狀態(tài)，很容易受外界環(huán)境的影響而產(chǎn)生腐蝕破壞。張拉錨索腐蝕后,其材料的物理性能和機(jī)械性能將會發(fā)生變化,有關(guān)力學(xué)指標(biāo)也隨之降低,從而影響錨固效果。國外一般采用雙層防護(hù)，國內(nèi)一般采用灌注水泥漿和預(yù)應(yīng)力筋外側(cè)包裹pvc塑料管，管與預(yù)應(yīng)力筋之間注滿防腐油。梅山大壩的3200kn的預(yù)應(yīng)力錨索在封孔運行8年之后對錨孔的現(xiàn)場剖析表明13：當(dāng)水泥結(jié)石ph值大于12，空隙率小于14%，只要有2025mm厚的保護(hù)層，錨索即具有足夠的抗腐蝕能力。另外，許多外部因素都會引起錨索預(yù)應(yīng)力的損失。如近

19、距離的爆破、重型機(jī)械和地震力發(fā)生的沖擊。研究表明14,當(dāng)在距錨索3以內(nèi)進(jìn)行爆炸時,錨索預(yù)應(yīng)力有明顯損失,其預(yù)應(yīng)力損失量要比錨索在相似時間受靜荷載作用發(fā)生的預(yù)應(yīng)力損失量大36倍左右,但在離錨索5以外,普通爆破的影響就不顯著了。沖擊作用會使固定軟弱巖層中錨索的預(yù)應(yīng)力和承載力發(fā)生變化,尤其對穩(wěn)定性較差的松圍巖會產(chǎn)生較大的影響。當(dāng)采用膠結(jié)式預(yù)應(yīng)力錨索時，所受影響要比用機(jī)械方法固定的錨索所受影響小得多。錨固結(jié)構(gòu)的荷載發(fā)生變化或波動時，也會導(dǎo)致錨索預(yù)應(yīng)力的永久性損失或降低。溫度的變化，地層平衡力系的變化等，也會導(dǎo)致錨索預(yù)應(yīng)力數(shù)值的波動。以上的因素變化，都能夠明顯的影響或損害錨索的錨固功能。因此，在施工和工

20、程運營過程中，應(yīng)避免這種情況的發(fā)生。1.4預(yù)應(yīng)力錨索破壞機(jī)理及相關(guān)問題的討論如前所述，拉力型預(yù)應(yīng)力錨索的破壞型式有6種，考慮到預(yù)應(yīng)力錨索錨固體實際上是一種由鋼錨索、水泥砂漿、巖石三種異質(zhì)材料復(fù)合而成的結(jié)構(gòu),分析這種復(fù)合材料構(gòu)成的結(jié)構(gòu)時,都伴隨著粘結(jié)界面問題。工程實踐表明,在粘結(jié)界面上時常強(qiáng)度較弱、韌性較低,破裂極容易在界面上發(fā)生。因此,在研究巖錨體復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的破壞規(guī)律時,就應(yīng)首先研究界面破壞機(jī)理。在對巖錨體進(jìn)行數(shù)值計算時,無論是用有限元還是邊界元,都必須弄清界面所處的狀態(tài),從而用相應(yīng)的界面條件和基本方程聯(lián)立,求得未知數(shù)。所以研究界面上的開裂滑移判據(jù)具有極其重要的意義。錨固體粘結(jié)界面力學(xué)問題,

21、由于其界面條件的非線性性質(zhì),使它成為一個相當(dāng)復(fù)雜而困難的問題,因而具有重大的研究價值。近十年來,不少專家學(xué)者對界面力學(xué)問題進(jìn)行了研究,具有代表性的是s.yazici和p.k.kaiser15應(yīng)用彈性力學(xué)理論研究了灌漿體處于彈性、部分開裂和完全開裂時的界面力學(xué)性狀,因其應(yīng)用的是經(jīng)典的彈性力學(xué)理論,所得的理論結(jié)果不便于工程中的應(yīng)用。范宇潔（2000）16基于理論分析研究了由鋼錨索、水泥砂漿和巖石三種異質(zhì)材料粘結(jié)復(fù)合而成的錨固體內(nèi)錨根段界面性狀、傳力機(jī)理和界面應(yīng)力,建立了鋼錨索與水泥砂漿之間界面上作用應(yīng)力表達(dá)式、開裂滑移準(zhǔn)則。錨索在施加張拉力后，其錨束與漿體間的結(jié)合（粘結(jié)）作用就得以發(fā)揮，但在兩者發(fā)

22、生一定的相對位移時，這種有效結(jié)合就會遭到破壞。錨束與側(cè)限漿體之間的剪力主要由兩者間的摩擦作用產(chǎn)生，并隨漿體的膨脹而增大，增大錨索表面的粗糙度就增大了一部分漿體的剪切強(qiáng)度。由于錨索是相當(dāng)長的彈性構(gòu)件，相對漿體其位移量是沿內(nèi)錨段長度變化的，位移很小的地方，剪力主要是粘著力，在一般工作荷載下，這種粘著力通常發(fā)生在錨固段內(nèi)端（頂端），而在錨固段外端（近自由端），由于錨索的彈性伸長，相對漿體產(chǎn)生一定位移，兩者間將產(chǎn)生摩擦與機(jī)械連鎖效應(yīng)。一般說來，隨著施加荷載的增加，結(jié)合應(yīng)力的最大值移向錨索內(nèi)端，以漸近方式轉(zhuǎn)移并改變其在內(nèi)錨段長度上的分布，當(dāng)內(nèi)錨段全長都發(fā)揮了最大結(jié)合粘著力時，兩者間就會發(fā)生相對滑移，進(jìn)而

23、發(fā)揮摩擦阻力。錨索承受荷載時，從漿體到圍巖體的應(yīng)力轉(zhuǎn)移往往以徑向應(yīng)力和剪應(yīng)力的形式出現(xiàn)，漿體與圍巖的剝離現(xiàn)象極可能出現(xiàn)在荷載水平接近極限值時。一般說來，錨孔的粗糙度和圍巖的強(qiáng)度控制著破壞面，具體取決于漿體和地層巖體的相對強(qiáng)度17。當(dāng)?shù)貙訛橛矌r時，破壞主要出現(xiàn)在漿體與巖石交界面，甚至于漿體中；若為軟巖，則破壞面往往會進(jìn)入地層一定深度（大約幾毫米）。通常情況下，破壞面多出現(xiàn)在兩者的交界面上。漿體與圍巖間剪力作用原理與錨束和漿體界面上的作用類似。基于前述內(nèi)錨固段剪應(yīng)力均勻分布的假定，巖體預(yù)應(yīng)力錨索所需內(nèi)錨固段的理論長度可按下列公式計算。 （6）理論計算與試驗分析結(jié)論表明，利用上述公式計算巖體錨索內(nèi)錨

24、固段長度，其結(jié)果是不切實際的，一般工程在確定內(nèi)錨段長度時，大多引用經(jīng)驗和工程類比。事實上在某些條件下，即使采用較大的安全系數(shù)，遠(yuǎn)小于3m的錨固段長度也已足夠，而國內(nèi)工程實際應(yīng)用中內(nèi)錨段長度多為710m，甚至更大。這充分說明了用上述公式計算巖體錨索內(nèi)錨段長度不準(zhǔn)確，也反映出目前國內(nèi)外對錨固段剪應(yīng)力分布與傳遞機(jī)理的研究尚不成熟。由于錨束體與漿體之間的握裹強(qiáng)度比漿體同巖體之間的粘結(jié)強(qiáng)度將近大1倍18，所以前者對內(nèi)錨段的破壞一般不起控制作用，一般工程設(shè)計時，可不必進(jìn)行錨束體與漿體的錨固長度計算。因而我國水工預(yù)應(yīng)力錨固設(shè)計規(guī)范（sl212-98 ）、土層錨桿設(shè)計與施工規(guī)范（cecs22：90）等均只考慮

25、漿體同巖土體之間的粘結(jié)力計算。根據(jù)phililips,ballivy 和martin (1983)的研究及其它有關(guān)成果，分析認(rèn)為，錨索內(nèi)錨段漿體與巖體界面間存在呈指數(shù)分布的結(jié)合應(yīng)力19。如圖2所示。 （7）圖2 錨索錨固段漿體與巖體界面間粘結(jié)應(yīng)力分布曲線式中：為距錨固段外端（起點）的距離x處的結(jié)合應(yīng)力；為錨固段外端處的（未脫開時）結(jié)合應(yīng)力；d為錨孔直徑；a為錨束體與漿體間結(jié)合應(yīng)力與主應(yīng)力相關(guān)的常數(shù)。按錨固段粘結(jié)剪應(yīng)力非均勻分布的理想彈塑性模型進(jìn)行該問題的討論分析?？紤]到錨索錨固段在受力過程中往往前端已進(jìn)入粘結(jié)塑性變形區(qū)，而后端處于一種彈性受力狀態(tài)區(qū)。為了便于分析，可將錨固段受力區(qū)劃分為兩部分，

26、即粘結(jié)塑性變形區(qū)和理想彈性受力區(qū)，如圖3所示，對理想彈性區(qū)按指數(shù)關(guān)系分布理論進(jìn)行分析，對塑性變形區(qū)考慮到錨固體與巖體之間會出現(xiàn)過滑移破壞現(xiàn)象，可認(rèn)為殘余剪應(yīng)力為。在確定兩部分長度之后，將兩者相加即知錨索錨固段受力長度，適當(dāng)考慮安全系數(shù)則可確定工程中需設(shè)計的錨索錨固段長度。按照該理論，由圍巖與漿體的黏結(jié)關(guān)系計算出的錨固段受力長度為： （8）式中：c，為與巖土和漿體材料性質(zhì)、錨索孔徑和漿體厚度相關(guān)的常數(shù)；為設(shè)計錨固力；為彈性變形區(qū)段所承擔(dān)的作用力；為一折減系數(shù)，由地質(zhì)條件決定；為錨索體半徑；a為灌漿體厚度。圖3 錨固段破壞準(zhǔn)則簡圖 圖4 錨固段結(jié)合應(yīng)力沿錨固段的分布與變化情況河海大學(xué)張發(fā)明等(20

27、00) 20對巖質(zhì)邊坡預(yù)應(yīng)力錨固的力學(xué)行為及群錨效應(yīng)進(jìn)行了分析研究。詳細(xì)分析了錨固體的剪應(yīng)力、軸力的傳遞特征，得到了不同預(yù)應(yīng)力值下的應(yīng)力變化規(guī)律，提出了巖質(zhì)高邊坡預(yù)應(yīng)力錨固的群錨第一效應(yīng)和第二效應(yīng)的概念。通過對巖錨現(xiàn)場試驗分析，得出如下結(jié)論：(1)內(nèi)錨固段軸力和剪應(yīng)力的分布具有極其不均勻性，靠近外端，應(yīng)力集中系數(shù)大，外端2m范圍內(nèi)的應(yīng)力占全長應(yīng)力的80以上。表明增加內(nèi)錨固段長度并非增加錨固力的最佳途徑；(2)群錨加固效應(yīng)反映最明顯的是靠近錨固段的壓縮效應(yīng)，預(yù)應(yīng)力改善巖體的性質(zhì)向巖體內(nèi)部的擴(kuò)散與巖體的性質(zhì)、預(yù)應(yīng)力大小有關(guān)。張樂文等（2001）21通過工程實踐及試驗分析，可以得到以下結(jié)論：(1)注

28、漿錨桿存在有效錨固長度的問題，有效錨固長度的大小主要取決于錨固體與周圍巖土的相對物理、力學(xué)性質(zhì)。(2)沿錨固段全長錨固體內(nèi)剪應(yīng)力分布極不均勻，主要集中在錨固段的前13段內(nèi)，且隨外載的增加向錨固體的內(nèi)部發(fā)展。(3)拉拔試驗作為檢查錨桿質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)不適合注漿長錨桿。如圖4所示。關(guān)于錨索體與漿體的結(jié)合應(yīng)力，coates和yu（1970）、hollingshead（1971）進(jìn)行了有限元計算，phillips（1970）、farmer（1975）、ballivy和dupuis（1981）進(jìn)行了試驗。結(jié)果表明22：內(nèi)錨固段的索體與漿體的剪應(yīng)力在中等堅硬和堅硬地層中呈指數(shù)分布，在極軟弱地層中呈近似均勻分布。

29、其分布主要取決于索體鋼材彈模和地層彈模之比，比值愈小，錨固段近段應(yīng)力愈集中；比值愈大，錨固段應(yīng)力分布愈均勻。漿體與巖體間的粘結(jié)剪應(yīng)力也并不是均勻分布，而是沿孔壁呈指數(shù)型分布，并沿錨固段長度方向迅速衰減。三峽工程巖錨試驗表明，在新鮮的花崗巖中，僅1m內(nèi)錨固段長度就可承受4500kn以上的拉力，當(dāng)錨固段長度達(dá)到一定程度時，抗拔力提高并不顯著。這說明并不是錨固段愈長，抗拔力愈高。所以提高錨固段長度并不是提高錨固力的較好方法。正因為如此，國際預(yù)應(yīng)力混凝土協(xié)會實用規(guī)范（fip）也特別規(guī)定錨固段長度不宜超過10m。如果10m的錨固段長度尚不能滿足工程需要，可采用改善錨固段結(jié)構(gòu)的方法，提高錨固力。鄒志輝等(

30、1993) 23研究了錨桿在不同巖體中的工作機(jī)理，通過模擬塊試驗，結(jié)果表明：在滿足布錨密度某一值條件下，不同彈性模量的圍巖巖體存在布錨優(yōu)化問題，另外錨桿對不同巖體的約束效應(yīng)和對不同彈性模量巖體的e、c、值及破壞強(qiáng)度的影響機(jī)制說明：巖性越軟，布錨對巖性的影響越敏感；巖性越硬，布錨影響越小；當(dāng)巖體的彈性模量提高到某一值時，布錨的作用就很微小了。1.5普通注漿錨桿（索）的缺陷 通過向錨孔裝人鋼絲(鋼絞線)并灌入水泥漿而形成的結(jié)構(gòu)物稱為普通注漿錨桿（索）。這種錨桿的錨固力受下列因素影響，而往往低于理論估計值：(1)鉆孔過程錨孔周圍巖土體受擾動力學(xué)特性劣化，特別是在有地下水的地層中錨孔，周圍巖土體更容易

31、遇水軟化；(2)水泥漿的固結(jié)干縮作用，不可避免地使錨固段與巖土體間留下間隙，降低了兩者間的結(jié)合程度；(3)鉆孔使周圍巖土體內(nèi)應(yīng)力重新分布，錨固段所受周圍巖土體的正壓力將低于原位巖土體所受到的正壓力，使兩者間的摩擦阻力低于理論估計值。盡管人們對普通注漿錨桿采取補(bǔ)灌措施，或采取在孔口加止?jié){塞的壓力注漿措施，但錨固力的提高仍不顯著，軟巖和土層錨桿（索）尤其如此。在京珠高速公路粵境北段k98工點24，巖層節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，全強(qiáng)風(fēng)化厚度大，經(jīng)開挖邊坡揭露及數(shù)個鉆孔揭示主要分布泥質(zhì)粉砂巖，炭質(zhì)泥頁巖夾雞窩狀劣質(zhì)煤層，局部夾石英砂巖，煤層最大厚度可達(dá)8m；巖體內(nèi)地下水發(fā)育，地下水分布于錨索斜孔3040

32、m以下，軟質(zhì)泥質(zhì)粉砂巖、煤層及炭質(zhì)泥頁巖在地下水長期浸泡下，強(qiáng)度降低，嚴(yán)重影響錨索抗拔力。是京珠高速公路粵境北段地質(zhì)條件特別復(fù)雜的一個。錨索張拉時發(fā)現(xiàn)，局部地段范圍的錨索在施工深度達(dá)4348m,嚴(yán)格按各項規(guī)定規(guī)則及設(shè)計文件的要求在監(jiān)理的嚴(yán)格指導(dǎo)及監(jiān)控下進(jìn)行施工后，實測張拉力多為200300kn，個別最高為400kn，最低僅有150kn，即出現(xiàn)變形不穩(wěn)定的破壞跡象，大部分未達(dá)到設(shè)計要求的錨索張拉力588kn。分析錨索抗拔力偏低原因如下：部分錨索錨固段巖性為煤層及炭質(zhì)泥頁巖，此類巖體巖質(zhì)軟抗風(fēng)化能力差；部分錨固段巖石處于地下水飽和狀態(tài)，巖體遇水軟化，強(qiáng)度降低；加上本段錨索施工期為雨季，地表水滲入軟

33、化煤系地層，造成粘結(jié)力降低，因此，抗拔力偏低，不能滿足設(shè)計要求。在地質(zhì)條件較好地段，地下水較少，錨固拉拔力較大，最大可達(dá)980kn。由此可見在地質(zhì)條件和含水情況不同時，錨索抗拔力差異性較大。由于實際施工抗拔力小，不能滿足設(shè)計抗拔力要求，造成邊坡的失穩(wěn)和破壞現(xiàn)象的出現(xiàn)。二、提高錨固力的討論采用預(yù)應(yīng)力錨索加固邊坡的功能是：在邊坡工程中提供一定的支護(hù)，達(dá)到抑制和調(diào)整邊坡巖土體的變形；提高邊坡在開挖施工過程中的抗震能力；提高滑動面的抗剪切能力；改善巖體質(zhì)量，增強(qiáng)整體效果。因此其錨固質(zhì)量的好壞直接影響著邊坡工程的安全性。如前所述，錨索的錨固指標(biāo)由錨索的承載力來衡量，而錨索的承載力取決于錨固段的錨固力。要

34、使設(shè)計工程安全性提高本質(zhì)上決定于錨固段與其周圍巖土體的結(jié)合狀態(tài)，包括錨固段表面積的大小、形狀，錨固段所接觸的巖土體之性狀，以及兩者間的粘結(jié)力與摩擦阻力等。在設(shè)計工點，一定地層條件下，錨固段周圍巖土體的物理力學(xué)特性是一定的。因此，一般通過調(diào)節(jié)錨固段表面積的大小或錨固段的形狀，以求得所需的錨固力。如在較軟地層往往需要設(shè)計較長的錨固段或較大的錨孔孔徑來獲取所需的錨固力。但是這樣做不僅會增加造價，而且會增加施工難度，使錨索的應(yīng)用受到限制。根據(jù)前述公式 可知 （9）要想提高錨固力，有三種方式可供選擇。其一是增大孔徑d，該方式似乎能獲得直接而有效的效果，但是現(xiàn)場的測試和模型試驗的回答是否定的，另外由于機(jī)具

35、的限制，當(dāng)鉆孔直徑大于160mm時鉆孔施工就存在很大的困難。牟瑞芳（1998）25的研究表明，隨著鉆孔直徑與錨索體材料直徑比值的提高，拉力型預(yù)應(yīng)力錨索錨固力的傳遞系數(shù)相應(yīng)降低，也即產(chǎn)生錨固效果的實際錨固段產(chǎn)生了減短的現(xiàn)象。這說明對于實際工程而言，在不妨礙施工的情況下，應(yīng)盡可能的降低鉆孔直徑與錨索體材料直徑的比值，以增加荷載傳遞的效率。同時考慮到施工機(jī)具自身條件的限制，以及較大孔徑尤其是在軟巖和土體情況下容易坍孔，且在地下水的飽和作用下，漿體與巖土體交界面容易產(chǎn)生潤滑作用，造成無法有效的膠結(jié)。另外，孔徑的加大必造成注漿材料用量的提高。故不宜通過加大孔徑d來獲得錨固力的提高。其二是增長錨固段長度l

36、1來提高錨固力。對該問題已開展了大量的研究工作，獲得了一些共性的認(rèn)識：錨固段上的粘結(jié)剪應(yīng)力為明顯非均勻分布，并沿錨固段長度方向為沿孔壁呈近似指數(shù)型分布并迅速衰減。其有效錨固段僅在錨固段起點往后34m的范圍。牟瑞芳（1998）25的研究表明，在錨固段長度與錨孔直徑之比為50時，在70%的長度內(nèi)，軸力傳遞已達(dá)到1%；在長徑比為200時，在60%的長度內(nèi)，軸力傳遞已達(dá)到0.7795%；在長徑比為500時，在30%的長度內(nèi)，軸力傳遞已達(dá)到0.4946%。因此單純的增加錨固段長度l1是不可能獲得錨固力的有效提高。其三是增大漿體與巖土體交界面處的極限粘結(jié)強(qiáng)度。由于工程總是在一定的地層條件下開展，天然巖土體

37、的物理力學(xué)特性只有通過一定的鉆孔工藝和注漿方法才會獲得改變。對于鉆孔工藝方面，瑞典和日本開發(fā)了帶端頭膨脹體的土層錨桿；臺灣在砂性土的抗浮工程中，應(yīng)用了底端擴(kuò)成圓錐體的錨桿等等。這都與施工機(jī)具的改進(jìn)和鉆孔方式相結(jié)合，并且有較強(qiáng)的地層針對性。在國內(nèi)目前的施工條件下進(jìn)行大范圍的推廣使用還較為困難。對于注漿方法的改進(jìn)，已有少量的工程在開展探索性的工作。我們可以引用水力部門的水力劈裂原理，應(yīng)用于預(yù)應(yīng)力錨索注漿工程之中，以提高其極限粘結(jié)強(qiáng)度，同時漿脈的擴(kuò)散作用，又引起錨固段的體積與表面積的增加，強(qiáng)化了錨固段周圍巖土體的力學(xué)特性，增加了錨固段的嵌固效果，改變其破壞方式，達(dá)到提高錨固力的目的。三、二次劈裂注漿

38、提高預(yù)應(yīng)力錨索承載力的研究3.1 劈裂注漿的力學(xué)機(jī)理劈裂注漿是在注漿壓力作用下，向注漿孔送入漿液以克服地層的初始應(yīng)力和抗拉強(qiáng)度，使其沿垂直于小主應(yīng)力平面上發(fā)生劈裂的施工方法。其目的是通過劈裂壓密土體，形成漿液充填裂縫，達(dá)到增加土體抗壓強(qiáng)度，降低土體滲透性。因此劈裂注漿要求較高的送漿壓力。在錨索施工過程中，與錨索一起向錨孔裝入一根與孔深等長的專用劈裂注漿花管；之后，按普通注漿錨桿的注漿方式實施一次注漿；待水泥漿初凝之后，再經(jīng)花管對錨孔實施壓力注漿，此次注漿即為劈裂注漿，漿液在壓力下首先劈裂一次注漿漿體結(jié)石包裹體，繼而劈裂周圍巖土體形成漿脈。錨桿采用劈裂注漿可以從多方面增加錨桿的錨固力。漿液首先劈

39、裂進(jìn)入錨固段周圍抗拉強(qiáng)度較小的介質(zhì)內(nèi)，如錨固段與巖土體的結(jié)合面；進(jìn)而充填已開裂發(fā)展的裂隙空間，并從中向兩側(cè)擠壓、膠結(jié)，從而完善了錨固段周圍巖土體的力學(xué)特性，以及它們間的聯(lián)結(jié)程度。劈裂路徑趨向于大主應(yīng)力方向，劈裂面的方向正趨向于小主應(yīng)力方向。漿液向裂隙兩側(cè)施壓，還使作用在裂隙側(cè)面的小主應(yīng)力局部升高，其結(jié)果使錨固段受到的正壓力加大，因而增加了錨固段與周圍巖土體間的摩擦阻力。此外，無論是沿錨固段與巖土體結(jié)合面，還是向巖土體劈裂部分?jǐn)U散的漿脈，其結(jié)石體終將成為錨固段的一部分，使錨固段的體積與表面積增加，從而擴(kuò)大了錨固段的規(guī)模，亦相應(yīng)增加了錨桿的承載能力。 a a-a截面受力簡圖 b 錨索孔布置示意圖圖

40、5 劈裂注漿下錨索受力分析圖按照圖5所示，根據(jù)彈性理論， a-a截面處錨孔內(nèi)施加注漿壓力后，在地應(yīng)力和作用下，錨孔周圍圍巖內(nèi)m點的應(yīng)力為： （10）在的孔壁處， （11）當(dāng)時，有最小值，即 （12）當(dāng)注漿壓力增加到某一定值時，變?yōu)槔瓚?yīng)力，在數(shù)值超過巖體抗拉強(qiáng)度時，巖體產(chǎn)生開裂。假定t為巖體抗拉強(qiáng)度，巖體破裂條件為：p0331t （13a）按圖5b錨固段可視為軸對稱應(yīng)力狀態(tài)，此時3 =1 =hsin,式中、h分別是巖體容重和錨固段埋深，是坡角，因此上式變?yōu)?p02hsint （13b）在錨桿（索）注漿工序中采用劈裂注漿技術(shù)，既能增加錨固段與巖土體的接觸面積，又能強(qiáng)化兩者之間的結(jié)合程度，還能改善錨

41、固段周圍巖體的物理力學(xué)特性，增加了錨固段的嵌固效果，改變其破壞方式，從而增加錨固力。根據(jù)彈性理論計算，目前國內(nèi)灌漿工程所用的灌漿壓力尚不能使新鮮巖體發(fā)生破裂，但是僅用較小的灌漿壓力就足已引起巖石現(xiàn)有裂隙的類彈性擴(kuò)張。僅需對錨桿增加劈裂注漿一道簡單的工藝環(huán)節(jié)，即可從多方面擴(kuò)大并加強(qiáng)錨固體系統(tǒng)，從而明顯增加錨固力。因此，這種方法投人少而效果明顯，工藝簡單易于推廣應(yīng)用。劈裂注漿錨索結(jié)構(gòu)如圖6所示。圖6 劈裂注漿錨索結(jié)構(gòu)示意圖3 2 二次劈裂注漿錨索結(jié)構(gòu)型式的研究二次劈裂注漿錨索結(jié)構(gòu)按照第二次高壓注漿管置于錨索中間和錨索側(cè)面而有兩種形式，圖7為第二次高壓注漿管置于錨索中間的情況。圖7 第二次高壓注漿管

42、置于錨索中間的結(jié)構(gòu)圖具體結(jié)構(gòu)為二次高壓注漿管孔口以下56m為鋼管，其余為22，壁厚2mm的聚乙烯塑料管。注漿方法為：第一次注漿810小時后將漿體以4.56mpa（有時力為78 mpa）壓力由第二次高壓注漿管送入，劈開已灌漿體與巖體，劈開后壓力維持在12 mpa，注漿液中加早強(qiáng)劑，錨固段內(nèi)的壓漿管上打花眼，孔徑10，間距2030cm，包裹橡膠薄膜，以免第一次壓漿時漿液進(jìn)入，造成二次壓漿管的堵塞。就該結(jié)構(gòu)而言，由于第二次壓漿管置于錨索孔中心位置，要產(chǎn)生劈裂注漿，從而達(dá)到提高錨固力的作用效果，則必須首先將已有漿體劈裂，并滲流至孔口邊壁再將巖體劈裂才會有明顯的劈裂增強(qiáng)效果。在工程實踐中，該結(jié)構(gòu)之所以能

43、對錨固效果有明顯提高，可用擠壓理論加以說明。如圖8所示圖8 中心劈裂注漿受力圖示也即第二次高壓注漿時壓力擠壓已有漿體，造成對巖體孔壁的擠壓力進(jìn)一步增大，按莫爾庫侖抗剪強(qiáng)度準(zhǔn)則，這時孔壁徑向應(yīng)力提高，從而引起孔壁的摩擦抗剪作用增強(qiáng)，引起增大。因為s提高，從而引起錨固力增大。但是其實質(zhì)僅是漿體的擠壓變形和細(xì)微漿體劈裂，而巖體并未產(chǎn)生劈裂效果，只是在高壓力下進(jìn)入了塑性狀態(tài)。按coulomb材料圓筒形孔擴(kuò)張問題的彈塑性解，孔內(nèi)壓力最終值pu為： （14）式中：c為孔壁巖土體粘聚力；q為孔壁巖土體初始應(yīng)力；=（）cot；=(1+sin)sec ；=；為體積變化系數(shù)；為剛度指標(biāo)，=；、s為孔壁巖體剪切模量

44、和抗剪強(qiáng)度。第一次注漿體已凝固，不可能滲流進(jìn)入孔壁巖體裂隙，只有第二次注漿漿液才能劈開第一次注漿體和孔壁巖滲流到孔壁巖體裂隙中形成漿脈。按資料介紹，形成的漿脈在較堅硬巖石中不超過56mm，但在軟巖、裂隙巖體或散狀巖體中，則可能會很大。如在京珠高速公路k98工點中，錨固段每延米的二次注漿量甚至超過500kg.如圖9所示，對于劈裂灌漿由于劈裂灌漿時發(fā)生水力劈裂作用，漿脈網(wǎng)圖9 注漿效果比較 1 壓密方式 2 劈裂方式 圖10 第二次高壓灌漿管錨索側(cè)面的布置圖延伸較遠(yuǎn)，就劈裂灌漿加固巖土體而言錨固效果優(yōu)于壓密灌漿，更適合于大范圍的土體加固，只是加固后土體均勻度很難控制。按上海市地基處理技術(shù)規(guī)范：劈裂

45、灌漿壓力：砂土0.20.5mpa；粘土0.20.3mpa；在煤系地層軟巖中劈裂灌漿壓力為0.81.2mpa；在較堅硬和堅硬巖體中劈裂灌漿壓力為1.04.0mpa。由于巖土體性質(zhì)不同，各地的劈裂灌漿壓力有所差別。第二次高壓灌漿管宜置于錨索側(cè)面的情況如圖10所示，此時可對稱布置4根或兩根高壓灌漿管，也可布置1根管。在該方式下，由于第二次高壓注漿管在靠近孔壁的部位，灌注高壓漿體時，在劈裂作用下會引起孔壁巖土體細(xì)微裂隙的形成，并能在裂隙中形成漿脈，從而增加錨固段半徑，改善錨固段單純的靠粘結(jié)抗剪力增阻的方式，并能改善周邊巖土體的物理力學(xué)特性。根據(jù)灌漿壓的大小和周邊巖體的堅硬程度以及劈裂機(jī)理，第二次高壓注

46、漿管與孔壁間的距離應(yīng)有23mm的間隙。這種結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)點是不劈開第一次注漿體，而是直接劈開孔壁巖體，有利于漿液快速進(jìn)入裂隙中。其缺點是用一根注漿管時，有可能形成單面擠壓第一次注漿體的情況。用多根注漿管時，會較大幅度地增加工程造價。另外由于二次高壓注漿管是花管，其側(cè)面的孔口要用薄膜包裹，如果放在錨索側(cè)面，下錨時會擦壞薄膜，有可能使二次高壓注漿施工失敗。因此還是將二次高壓注漿管置于錨索中間較好。其次，考慮到高壓注漿時需要止?jié){塞，目前常置于坡面孔口位置，在該情況下，預(yù)應(yīng)力作用于錨固段時，由于高壓注漿使得整個錨孔區(qū)段內(nèi)漿液飽滿，從而造成自由段的漿體成圓柱桿狀并與錨固段粘接成整體，施加設(shè)計預(yù)應(yīng)力時，先要

47、將孔口處的凝固漿體壓裂破碎，才會使得錨固段的錨固力開始發(fā)揮作用。在理想受力狀態(tài)，即設(shè)計狀態(tài)下錨索的拉力通過漿體傳至漿孔接觸面，直接引起錨固段相對位移，錨固段的錨固作用在錨索受拉瞬間立即開始發(fā)揮作用。如圖11所示。從上述圖形分析可知，為了直接利用錨固效果，止?jié){塞應(yīng)置于孔口以下一定深度處。該深度應(yīng)略大于設(shè)計錨固力作用下的坡體表面位移值。該值與錨固力大小，坡面淺層巖土性質(zhì)，錨固力傳遞方式（單梁，框架或整板等）有直接關(guān)系。圖11 漿體受力分析圖示最后，由于錨固力在錨固段上的分布并非均勻，往往是非均勻分布，如圖12所示。由于灌漿體和巖體和桿（索）體的彈性特征不一致，當(dāng)桿體受拉后錨固段粘結(jié)應(yīng)力并非沿縱向均

48、勻分布，出現(xiàn)如圖12中曲線所示的應(yīng)力集中現(xiàn)象。當(dāng)錨固段較長，隨著應(yīng)力增加，錨固段起始部位灌漿體與地層界面的粘結(jié)力逐漸軟化或脫開，并向深度發(fā)展，其分布曲線如圖12中的所示。但是隨著錨固效應(yīng)軟化，錨桿抗拔力并不與錨固段長度增加成正比，其分布曲線如圖12中的所示。故過長增加錨固長度并不能有效提高錨固力，工程中常取錨固段長度為610m。因此從工程實際出發(fā)，應(yīng)按如圖12中所示的應(yīng)力分布進(jìn)行錨固段長度設(shè)計。三峽工程錨固于花崗巖中3000級錨索工作階段應(yīng)力傳遞深度實測值約為4 m(約25倍孔徑)。故工程中錨固段長度超過4 m時，更深處可不進(jìn)行劈裂注漿，同時考慮到盡量避免錨固段端部與地層界面脫離，對自由段靠近

49、錨固段1m范圍內(nèi)也應(yīng)進(jìn)行劈裂注漿，以提高巖土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，故二次注漿管置入錨固段45m就足夠。綜上所述，對目前劈裂注漿錨索結(jié)構(gòu)型式應(yīng)采用邊緣置初次注漿管，中心置二次高壓注漿管。注漿時要采用非飽和注漿，直接利用錨固力工作；二次高壓注漿管不宜置于孔底，可主要在自由端距錨固端1m處至錨固段長45m處埋設(shè)帶花眼的二次注漿管進(jìn)行二次高壓注漿。其結(jié)構(gòu)型式如圖13所示。圖12 錨固應(yīng)力分布圖 圖13 建議的劈裂注漿錨索結(jié)構(gòu)形式3.3劈裂注漿條件下錨索承載力的理論研究在邊坡工程中，邊坡一經(jīng)開挖，就會引起坡體應(yīng)力重分布，此時鉆注漿孔將再次引起應(yīng)力重新分布。劈裂注漿將導(dǎo)致更新的裂隙形成及原有裂隙的擴(kuò)張27。根

50、據(jù)彈性理論，在-平面上，當(dāng)鉆孔周邊拉應(yīng)力克服圍巖抗拉強(qiáng)度時，鉆孔注漿劈裂才會發(fā)生在最小主應(yīng)力面上，由此可知鉆孔劈裂時起始壓力為： （15）式中：為鉆孔應(yīng)力集中系數(shù)，可通過測試或經(jīng)驗類比估算，一般=2.54.0； 為最大主應(yīng)力；為最小主應(yīng)力；為圍巖抗拉強(qiáng)度。鉆孔起裂后成為帶有裂隙的注漿鉆孔，如圖8所示，根據(jù)斷裂力學(xué)理論，裂隙擴(kuò)展壓力為= （16） 式中：l為裂隙長度； a0為鉆孔半徑； g（l/）、f（l/）為l/的函數(shù)；k1為裂隙擴(kuò)展時的臨界強(qiáng)度因子，它是一個材料常數(shù)，即張開型裂紋斷裂韌度。其值可由下式確定 （17）式中 ：e為巖石的彈性摸量,為巖石的比表面能，為巖石泊桑比。其裂隙長度l可按c

51、oulomb材料彈性圓筒形孔擴(kuò)張理論的彈性解所給出的 來確定其質(zhì)點與孔壁的相對位置，如圖14所示。式中 為圖14 劈裂后的鉆孔圖巖土體初始應(yīng)力， 為巖土體抗拉強(qiáng)度。按該式計算，對于較堅硬的巖石，裂隙長度常在56mm 。故可以認(rèn)為前述錨索注漿管放置位置的是合理的。在注漿時,尚應(yīng)注意到注漿壓力的損失。注漿壓力的損失由輸漿管，注漿管和出漿孔三部分摩擦阻力組成，分別以表示。 （18）由粘性流體力學(xué)可知，輸漿管摩擦阻力為： （19）式中：為漿液粘度，為輸漿管長度，為輸漿管半徑，為流速。注漿管摩擦阻力為： （20）式中：為注漿管摩擦阻力系數(shù)，為注漿管長度。出漿孔阻力則受注漿花管孔數(shù)、規(guī)格、漿液流動形態(tài)的影

52、響，理論計算比較困難，只能通過實驗量測漿液通過出漿孔時的壓力損失確定。由此可知，圍巖劈裂注漿壓力為：起始劈裂時， （21） 裂隙擴(kuò)張時, （22） 同時應(yīng)保證其漿液壓力不超過現(xiàn)有設(shè)備的注漿能力。預(yù)應(yīng)力錨索采用劈裂注漿可從多方面提高其錨固能力。前述分析說明漿液首先劈裂進(jìn)入錨固段周圍抗拉強(qiáng)度較小的介質(zhì)，如錨固段與巖土體的結(jié)合面；進(jìn)而充填已開裂發(fā)展的裂隙空間，并從中向兩側(cè)擠壓、膠結(jié)，從而改善錨固段周圍巖土體的力學(xué)特性以及聯(lián)結(jié)程度。漿液向裂隙兩側(cè)施壓，還使作用在裂隙側(cè)面的小主應(yīng)力局部升高，其結(jié)果使錨固段受到的正壓力加大，因而增加了錨固段與周圍巖土體的摩擦粘結(jié)阻力。同時漿液劈裂作用形成的漿脈結(jié)石體終將成

53、為錨固段的一部分，使錨固段的體積與表面積增加，擴(kuò)大了錨固段的規(guī)模，也相應(yīng)增加了錨索的承載能力。特別是在有地下水的情況下,鉆孔注漿使孔壁污染,在孔壁形成一層污染泥薄膜,嚴(yán)重降低錨索的承載能力。高壓注漿時這層薄膜被漿液擠壓、拌和、切割后消失,提高了漿體與巖體間的抗剪強(qiáng)度,從而使錨索的承載力大大增加。關(guān)于漿液擴(kuò)散半徑，目前的研究還未獲得成熟的結(jié)論，故工程中不好估算其等效的錨固段半徑。建議通過一定的模型試驗尋求經(jīng)驗公式來計算。在無經(jīng)驗公式可用時，不計漿脈的嵌固效果，按照圓筒形擴(kuò)展理論的彈性解求出裂隙長度l，同時保證計算范圍內(nèi)裂縫寬度大于漿體材料的換算骨料粒徑。以此計算值加上錨孔直徑作為等效錨固半徑。并

54、且不考慮漿體與巖體交界面的極限粘結(jié)應(yīng)力的變化。按,錨固段側(cè)壁漿體與孔壁巖土體之間的粘結(jié)力對錨固力大小起控制作用,對于正常工作狀態(tài)，按照圖15可以將錨固段受力劃分為兩段,即彈性變形和塑性變形區(qū)段。則此時預(yù)應(yīng)力錨索承載力即錨固體軸向力為 （23）式中:為地層材料參數(shù)； 為折減系數(shù)； 為漿體與巖土孔壁極限粘結(jié)力； 為；為塑性受力區(qū)長，等于錨固段長度減去彈性受力區(qū)長；l為按照圓筒形擴(kuò)展理論的彈性解求出的裂隙長度；錨固段表面積,將漿脈作用的距離定為粘結(jié)界面。由此可確定其結(jié)構(gòu)的承載力大小。也可按mohr-coulomb準(zhǔn)則按照圓筒擠密方式進(jìn)行承載力確定： （24）式中：da為錨固段表面積, c, 為劈裂作用下巖土體的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角, 為錨固段在漿體與巖土體分界面上的正壓力。沿錨固段全長積分即知錨固力t的大?。?（25） 式中： 都是錨固深度的函數(shù)。將彈性受力部分按三角形簡化(如圖15中虛線所示)，由公式(23)可得出承載力的簡化計算式為： （26）式中： 可取漿體與巖土體混合材料的極限粘結(jié)應(yīng)力。3.4劈裂注漿相關(guān)參數(shù)選擇的討論3.4.1漿液的選擇一種理想的注漿材料，應(yīng)滿足以下要求：(1) 漿液粘度低，流動性好，可注性好，能夠進(jìn)入細(xì)小裂隙；(2) 漿液凝固時間能任意調(diào)節(jié)，并能準(zhǔn)確地控制；(3) 漿液穩(wěn)定性好，無毒，不易爆，不易燃；(4) 漿液對注漿設(shè)備、管道